Kæmpe ladningsomvendelse observeret for første gang

Ladede overflader nedsænket i en elektrolytopløsning kan undertiden blive modsat ladet. Dette ikke -intuitive fænomen, kendt som ladningsinversion, sker, når overskydende modioner adsorberes, eller holde sig til, til overfladen. Det kan forekomme i en række kemiske og biologiske miljøer. I visse situationer, teori forudsiger, at en stærkt ladet overflade ikke kun ændrer tegn, men kan blive mere højt ladet end den oprindelige overflade. Dette er kendt som kæmpe ladningsomvendelse, men forbliver kontroversiel og er aldrig blevet observeret eksperimentelt.

Resultater rapporteret i denne uge i Journal of Chemical Physics bekræfte, for første gang, kæmpe ladningsomvendelse for en overflade i kontakt med en trivalent elektrolytopløsning. I modsætning til tidligere observationer, dette krævede ikke en stærkt ladet overflade.

Efterforskerne, Zhi-Yong Wang fra Chongqing University of Technology i Kina, og Jianzhong Wu fra University of California, Riverside, fandt ud af, at opløsningsmidlets dielektriske respons øger korrelationen af ​​multivalente ioner med modsat ladede overfladegrupper. Dette letter dannelsen af ​​grænsefladekoblinger af modsatte ladninger kaldet Bjerrum -par, og fører til den observerede gigantiske ladningsomvendelse.

"Tidligere teoretiske undersøgelser gav ikke en pålidelig beskrivelse af iongrænsefladeadfærd i systemer af denne type, "Sagde Wang. F.eks. der har ikke været enighed i litteraturen om, hvilken type interaktion, der dominerer den overskydende adsorption af multivalente modioner ved en ladet grænseflade.

Denne undersøgelse redegør for de kombinerede virkninger af diskrete overfladeafgifter, ionekskluderet volumen, overfladekorrugeringer og rumlig variation af den dielektriske respons. Sidstnævnte fik lov at variere siden permittivitet og ladningsdynamik for vand i nanoporer, såsom dem i ionkanaler i cellemembraner, kan være dramatisk anderledes end i bulkvand.

Af alle disse grunde, forskerne kiggede nærmere på den dielektriske reaktion af begrænsede elektrolytter i et realistisk modelsystem. Dette førte til deres rapporterede observationer her. En grund til at tidligere undersøgelser savnede det observerede fænomen med gigantisk ladning, Wang sagde, er fordi den iboende heterogene, overfladeladningens ikke -ensartede karakter blev ignoreret. I den aktuelle undersøgelse, de viste, at overfladeladningens heterogenitet og opløsningsmidlets dielektriske respons ikke er to separate spørgsmål, men skal betragtes sammen. I særdeleshed, en klar forståelse af den rolle, som billedladninger spiller, er afgørende for at opnå konsekvent fortolkning af eksperimentelle fund.

Disse observationer indikerer, at den almindelige antagelse om en ensartet overfladeladningstæthed er tvivlsom i nærvær af multivalente ioner. En sådan antagelse giver ikke en troværdig repræsentation af grænsefladestruktur og ser ud til at savne vigtig fysik, der forekommer i trange rum, som dem, der er almindelige i biologiske systemer.

Forfatterne planlægger at udvide deres undersøgelse til at undersøge andre blandede elektrolytopløsninger i kontakt med buede eller uregelmæssige overflader. Ud over, mere arbejde er nødvendigt for at tage højde for lokale dielektriske inhomogeniteter nær ladede overflader, som går ud over traditionelle modeller.